La soldadura en los componentes SMD

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INDICE La soldadura El proceso de la soldadura

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Métodos de soldadura La soldadura manual La soldadura por ola Soldadura por refusión

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Que es la Soldadura? Teoría de la soldadura Flux Tipos de flux

4 5 6 8

Tipos de precalentadores Tipos de ola Sistemas inertes (Nitrógeno)

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Orientación de la tarjeta Flux Velocidad del transportador Precalentamiento Temperatura del crisol

4 14 14 14 14

Proceso de soldadura

Soldaduras

Parámetros del proceso

Contaminación y controles Efectos de contaminantes comunes Otros contaminantes

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Defectos en la soldadura Cortos Insuficiencias Bolas de soldadura

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El concepto de refusión Componentes SMD y la soldadura por refusión Soldadura por ambas caras del circuito Aspectos metalúrgicos de la soldadura por ola

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Métodos de calor en equilibrio Métodos de calor en no-equilibrio Perfil térmico

19 19 20

Refusión

Métodos de calentamiento


La serigrafía Tipos de pantalla Apertura por ataque químico Aperturas por láser Aperturas por electro-forma

21 21 21

Espesores de las pantallas Diseño de las aperturas Las espátulas

22 22 22

Contacto de la pantalla Velocidad de separación de la pantalla Presión de la espátula Velocidad de la espátula Frecuencia de limpieza Alineamiento de la pantalla Condiciones ambientales

23 24 24 25 25 25 26

Forma de las partículas Tamaño de las partículas Función del flux Composición del flux Trabajibilidad Tiempo de recuperación Tiempo de vida Tiempo de adhesividad de la pasta Resistencia al slump Solubilidad y mojabilidad

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Parámetros de la serigrafía

Pasta de soldar

Soldadura manual Soldar y desoldar un condensador o resistencia SMD 34


La inspección Inspección y control de calidad El significado de “Calidad” La calidad y la fiabilidad

39 39

1. Consideraciones específicas de la Empresa 2. Consideraciones específicas de su aplicación

39 39

Clasificación en función de los requerimientos de fiabilidad

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Soldaduras y sus fallos Uniones de soldaduras abiertas Puentes y bolas de estaño La naturaleza de las soldaduras defectuosas La perfección o imperfección de las soldaduras El problema de los vacíos “blowholes”

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La inspección Significado de soldadura defectuosa Las uniones ideales y las imperfectas Inspección de las soldaduras Inspección visual Inspección general Inspección detallada Inspección opto-electrónica automatizada Inspección con Rayos X

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La soldadura La soldadura de aleación junto a la soldadura de soplete, es una de las tecnologías más antiguas, que consiste en la unión de dos metales. Podemos distinguir entre tres tipos diferentes de soldadura “metalúrgica”: soldadura de soplete, soldadura con metal no ferroso y soldadura de aleación. El término “metalúrgico”, implica que cerca de la unión, la microestructura ha sido alterada y se ha obtenido una sola pieza, donde las propiedades eléctricas y mecánicas son transmitidas entre las dos piezas unidas. En el proceso de soldadura la separación entre las dos piezas es rellenado con una mezcla de dos metales puros, el cual tiene un punto de fusión más bajo que cualquiera de los dos metales. La mezcla utilizada en la soldadura de aleación en los montajes electrónicos, ha sido hasta ahora de Sn y Pb, en las proporciones de 64% Sn y 36% Pb, para obtener un punto de fusión de 183º C. Esta comparativa modesta temperatura es la adecuada para los componentes electrónicos no sufran un sobrecalentamiento que los destruya. La utilización de mezclas libres de Pb, nos lleva a incrementar hasta 217º C el punto de fusión de la soldadura. El proceso de la soldadura La soldadura es la reacción entre los metales que van ha ser unidos y la mezcla eutéctica de Sn y Pb ( Sn y Cu para soldadura libre de Pb). Esta reacción es fundamental tenga lugar para que la unión se produzca. La reacción es exotérmica, lo que significa que no es necesaria energía una vez ha empezado. El calor es necesario para mezclar las partes y rellenar la unión. Con la mezcla de Sn y Pb, solamente el Sn toma parte en la reacción, con las mezclas sin Pb, puede reaccionar otros componentes como la Ag o el In. La reacción crea una zona llamada intermetálica, formada por cristales, situada entre la mezcla metálica y el metal. Esta zona tiene profundos efectos en las propiedades mecánicas de la soldadura y durante la vida de su utilización. Cualquier capa de material no metálico, tal como óxidos o sulfatos, o cualquier contaminación, impide esta reacción y como consecuencia la soldadura. Desafortunadamente en circunstancias normales todos las superficies metálicas con excepción del Au y el Pt, tienen una capa de oxido o sulfato, sin embargo es posible su limpieza. El “flux” elimina esta capa y evita su formación durante el proceso de soldadura. Naturalmente la superficie de la mezcla soldante también debe ser considerada en este proceso, porque cualquier óxido impediría su mobilidad. La mezcla soldante libre de óxidos, fluye libremente a través de las partes a soldar. El flux no toma parte de la reacción, una vez esta ha empezado y la naturaleza y fortaleza de la soldadura no depende de la calidad del flux, pero influye en la calidad de la unión. Si el flux no es capaz de eliminar la contaminación, la mezcla soldadante no será capaz de introducirse entre las separación de las partes a soldar y como resultado se producirá una soldadura defectuosa. Se requieren tres eventos básicos para una buena soldadura. 1. El flux, limpia las superficies a soldar 2. La mezcla soldadante rellena las uniones de las partes metalicas 3. Calor, para que la mezcla soldante se produzca y el Sn rellene las uniones de las superficies


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Métodos de soldadura

Diversos métodos de soldadura se utilizan en el montaje de componentes electrónicos, que son los siguientes: • Soldadura manual • Soldadura por ola • Soldadura por refusión La soldadura manual La fuente de calor que se utiliza es el soldador, el cual en su punta debe alcanzar los 300-400º C. Una pequeña cantidad de flux es a veces necesaria aplicar antes de proceder a la soldadura. Las partes a soldar se calientan con el soldador por conducción, tan pronto como se alcance la temperatura de 100º C, se aplica la mezcla soldante (hilo de Sn/Pb + flux) y cuando alcanza los 183º C, se produce la mezcla fundente el rellenando las partes metálicas ha soldar, cuando estas estén satisfactoriamente rellenas se procede ha retirar el soldador para que la unión se enfríe, solidificándose.

La soldadura por ola Las siguientes secuencias son utilizadas: 1. El flux es aplicado a todas las uniones del circuito impreso 2. Un precalentamiento es efectuado por radiación o convección 3. Se aplica la mezcla soldante (250º C) a las uniones en forma de ola, la cual rellena las partes a soldar por conducción


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Soldadura por refusión Las siguientes secuencias son utilizadas: 1. Una mezcla pasta soldante y flux, se aplica en cada unión del componente, antes de situarlo en el lugar de la soldadura 2. Se aplica calor al conjunto –circuito impreso/ componentes- por radiación, convección o conducción


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Proceso de soldadura Que es Soldadura ? La Soldadura es un metal fundido que une dos piezas de metal, de la misma manera que realiza la operación de derretir una aleación para unir dos metales, pero diferente de cuando se soldan dos piezas de metal para que se unan entre si formando una unión soldada.

En la industria de la electrónica, la aleación de estaño y plomo es la más utilizada, aunque existen otras aleaciones, esta combinación da los mejores resultados. La mezcla de estos dos elementos crea un suceso poco comun. Cada elemento tiene un punto elevado de fundición, pero al mezclarse producen una aleación con un punto menor de fundición que cualquiera de los elementos para esto debemos de conocer las bases para soldar. Sin este conocimiento es difícil visualizar que ocurre al hacer una unión de soldadura y los efectos de las diferentes partes del proceso. El estaño tiene un punto de fundición de 450º F; el plomo se funde a los 620º F. Ver grafica, en este diagrama de proporción de Estaño/Plomo consiste de dos parametros, uno de ellos es la temperatura en el eje vertical y la otra es la concentración en el eje horizontal. La concentración de estaño es la concentración del plomo menos 100. En el lado izquierdo del diagrama puede ver 100% de estaño, en el lado derecho del diagrama puede ver 100% de plomo. Las curvas dividen la fase líquida de la fase pastosa. La fase pastosa de la izquierda de la linea divide el estado líquido del estado sólido. Usted puede ver que estas lineas se unen en un punto correspondiente a una temperatura de 183º C o 361º F, a este punto se le llama punto eutectico. La aleación 63% estaño y 37% plomo tienen la misma temperatura sólida y líquida. Pastoso o en pasta significa que existen ambos estados, sólido y líquido. Entre mas alto sea el contenido de plomo, mayor sera el campo pastoso. Entre mas alto sea el estaño menor sera el campo pastoso. La soldadura preferida en la electrónica es la aleación eutectica debido a su inmediata solidificación.


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Diagrama de Fase

Tin-Lead Phase Diagram Percentage of Tin

Plastic

Liquid

Solid

Eutectic Solder


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Teoría de la soldadura Antes de hacer una union, es necesario que la soldadura ”moje” los metales básicos o metales base que formaran la unión. Este es el factor mas importante al soldar. Al soldar se forma una unión intermolecular entre la soldadura y el metal. Las moleculas de soldadura penetran la estructura del metal base para formar una extructura sólida, totalmemte metálica.

Capas Intermetalicas

-Es una unión de soldadura se forma una capa de compuesto intermetálico entre el estaño y el metal base.

Si la soldadura se limpia mientras esta aun derretida, sera imposible retirarla completamente. Se ha vuelto una parte integral de la base. Si unmetal graso se sumerge en agua no se “mojara” no importa que tan degado sea el aceite, se formarán bolitas de agua que se pueden sacudir de la superficie. Si el metal se lava en agua caliente utilizando detergente y se seca con cuidado, sumergiendolo de Nuevo en agua, el liquido se extendera completamente sobre la superficie y formara una pequeña capa. Esta capa de agua no se puede quitar a menos que se seque. El material esta entonces “mojado”. Cuando el agua moje el metal entonces esta perfectamente limpio, de tal forma la soldadura mojara el metal cuando las superficies de la soldadura y del metal estan completamente limpias. El nivel de limpieza que se requiere es mucho mayor que con el agua sobre el metal. Para tener una Buena unión de soldadura, no debe de existir nada entre los dos metáles. Casí todos los metáles se oxidan con la exposición al aire y hasta la capa mas delgada impedira que la soldadura moje el metal.

Wetting:

Es la acción que tiene lugar entre la soldadura líquida y la superficie sólida de la parte a ser soldada.

Dewetting:

Fenomeno en la cual la soldadura fundida se retira de una superficie previamente mojada. Causas posibles son superficies del metal base oxidado en las terminales de los componentes y otras superficies metálicas, etc.

Capa de Oxido No Wetting:

Cualquier contaminante como óxido en la superficie a ser soldada sera una barrera que impedirá el mojado.


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Flux

El flux o desoxidante solventa la mayor parte de este problema, como se vera más adelante. Cuando se unen dos superficies limpias de metal y se sumergen en el estaño fundido, esté mojará el metal y subirá hasta llenar los espacios entre las superficies contiguas. A esto se le conoce como la acción capilar. Si las superficies no estan limpias, no ocurrirá la operación de mojado y la soldadura no llenará la unión, la fuerza de la ola de soldadura es la que llena los orificios y produce un llenado en la superficie superior. La presión de la ola no es lo que produce esto, si no la acción capilar de la soldadura. Todos hemos visto insectos que caminan sobre la superficie de un estanque sin mojarse las patas. Ellos se apoyan sobre una capa o fuerza invisible llamada tensión de la superficie. Esta es la misma que hace que el agua se conserve en bolitas sobre el metal aceitoso. La tensión de la supercie es la capa delgada que se ve sobre la superficie de la soldadura derretida. Los contaminantes de la soldadura pueden incrementar la tensión de la superficie y la mayoría pueden controlarse cuidadosamente. La temperatura de la soldadura tambien afectará la tensión de la superficie, reduciéndola al incrementar su temperatura. Este efecto es pequeño comparado al de la oxidación. En el proceso, el flux realiza principalmente dos funciones: quitar el óxido de las superficies que van a ser soldadas y facilitar la amalgamación, mejora las características de mojado de la soldadura líquida. La principal característica de los nuevos flux, es que mejora considerablemente las características de mojado de la soldadura libre de plomo, lo que permite mejorar las condiciones de contacto creadas en el proceso de soldado de componentes electrónicos sobre una PCB.


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El propósito del flux • • • •

Reduce óxidos en todas las superficies involucrados en la unión de soldadura. Reduce la tensión superficial de la soldadura fundida. Ayuda a prevenir la reoxidación de la superficie durante la soldadura. Ayuda a transferir calor a las superficies a soldar.

Tipos de flux • • • • • •

R – Resina, fue el primer flux utilizado en la electrónica y aun es empleado. Esta hecho de savia que emana de algunos arboles (no haluros/no ácidos organicos). Adecuado para limpieza con solvente/saponificador. Este flux debe de ser lavado. RMA – Resina Media Activada (haluros limitados, ácidos orgánicos débiles limiados) Adecuado para limpieza con solvente/saponificador RA – Resina Activada (haluros/ácidos orgánicos débiles). Usado por algunos como no-clean, usualmente con solvente/saponificador. RSA – Resina Super Activada (alto nivel de haluros y ácidos orgánicos). Limpiado con solvente/saponificador. OA – Orgánico Activado (alto nivel de haluros, alto nivel de ácidos orgánicos fuertes). Debe de ser lavado con agua o saponificador NO-CLEAN – Los residuos no se lavan, no degradan la Resistencia al Aislamiento de Superficie (SIR). RESINA NATURAL Y SINTETICA – Acidos Orgánicos débiles y haluros. RESINA NATURAL Y SINTETICA – Acidos orgánicos débiles solamente (sin haluros). VOC-FREE – Acidos orgánicos débiles usualmente libres de resinas. El alcohol es reemplazado por agua.


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SHOP AIR

FLUX

AERATOR

--- Control de Contenido de Sólidos 1. Gravedad Específica fluxes de altos sólidos (> 10%). 2. Titulación Fluxes bajos a medios en sólidos (< 10%). Los fluxes utilizados en los sistemas sellados no pierden solvente y por lo tanto no requieren de este control.

--- Métodos de Aplicación 1. Espuma 2. Ola Utilizados para fluxes tipo OA, RMA y RA Requieren control estricto del contenido de sólidos. 3. Spray Utilizado para fluxes No-Clean.


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Soldaduras Aleación Estándard: 63% de Estaño y 37% de Plomo La aleación eutéctica 63% de Sn y 37% de Pb es una aleación especial donde la fusión ocurre a una sola temperatura que es de 183º C (361º F). Impurezas Metálicas: Pueden: • Causar defectos severos de cortos (particularmebte cuando el hierro excede 0.005% y el Zinc excede 0.003%). • Debilitar la resistencia de la unión de la soldadura. • Incrementar la razón de formación de escoria. • Causar uniones opacas o granulosas. • Reducir la capacidad de mojado (particularmente el azufre). Impurezas No Metálicas: (Oxidos Incluidos). • Las impurezas no metálicas u óxidos inluidos se mojan muy bién en la soldadura fundida y no se separan de la soldadura de la escoria. • Los óxidos incluidos incrementan la viscosidad de la soldadura fundida, causando cortos y picos (icicles). • Los óxicos incluidos pueden ser medidos mediante la Prueba de Inclusión de Escoria (Dross Inclusion Test). • Evapora los solventes del flux (IPA, Agua) • Previene choque térmico de los PCB y de los componentes. • Activa el Flux. • Permite que la soldadura fluya atraves del PCB.

PRECALENTADORES Y OLAS

Función del Precalentamiento

TRANSPORTADOR

Velocidad transportador

PRECALENTADOR 1

PRECALENTADOR 2

Cuba de estaño

Micro-Procesasor


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Tipos de Precalentadores 1. Radiante • Habilidad pobre para evaporar el agua de los fluxes (VOC Free), pudiéndose generar bolas de soldadura. • Transparencia de calor selectiva. 2. Convección Forzada • Alta eficiencia en transparencia de calor. • Volatiza el agua de los fluxes (VOC Free). • Minimiza el incremento de temperatura entre las areas del PCB. Tipos de ola 1. Simple (Laminar)

Ola laminar usada en PCB de Throuh – Hole. 2. Doble (Laminar/Turbulenta). Ola turbulenta seguida de ola laminar usada en PCB con componentes de SMD en el lado de la soldadura. La ola turbulenta previene el efecto de sombra en los componentes.

Ola turbulenta

Fluxer Conveyor

Preheaters

Vista de lado

Ola laminar

Cooling Stage Solder Wave


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~ 7째

Wav e Solder Reservoi r

Printe d Circuit Board


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Sistemas inertes (Nitrógeno) Beneficios 1. Previene oxidación. • Facilita el uso de fluxes No-Clean. 2. No decolaración en los PCB. 3. Reduce la formación de escorias • Menos mantenimiento requerido. • Menos soldadura utilizada. • Menos escoria que disponer.

Tipos de Sistemas Inertes (con Nitrógeno). 1. Sistema de Túnel Inerte • Ambiente inerte en precalentadores y ola. • Consumo de nitrógeno: 1400 – 2400 CFH. 2. Sistema Inerte Limitado. • Ambiente inerte solo en la ola • Consumo de nitrógeno: 300 CFH.


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Parámetros del proceso Orientación de la Tarjeta. • Los conectores e IC’s deben viajar perpendicularmente a la ola. Los chips deben de viajar paralelamente a la ola. Flux. • Verifique que el flux séa aplicado uniformemente en el PCB. • Seleccione un flux adecuado al proceso. Si se requiere el uso de la ola turbulenta el flux debe sobrevivir mayor tiempo en contacto con la ola de soldadura. Velocidad del transportador. • El tiempo de contacto con la ola es función de la velocidad del transportador y el area de contacto con la ola. • Ajustar la velocidad del transportador de acuerdo al tiempo de contacto especificado (Típico: 1.5 – 3.5 seg.) El tiempo de contacto es el acumulado entre las olas turbulentas y laminar.

Precalentamiento. 1. Precalentar tan rápido como séa posible pero sin exceder 2ºC/Segundo, medido en el lado superior de la tarjeta. Exceder 2ºC/Segundo (3.5ºF/Segundo) puede causar daño a los componentes debido a choque térmico. 2. Fluxes VOC Free. • Es optimo llevar la mayoria de los fluxes VOC Free hasta los 105-120º C (220º- 250º F). • Temperaturas inferiores pueden resultar salpicaduras. • Temperaturas superiores pueden volatilizar prematuramente los activadores causando defectos de cortos de soldadura.

Temperatura del Crisol. • El rango recomendado es de 460 – 500º F (235 – 260º C). El uso de dos olas limita la actividad del flux. Use la ola turbulenta solo si tiene componentes de SMD en el lado de abajo del PCB.


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Contaminación y controles La pureza de la soldadura tiene una gran efecto en la parte terminada y el numero de rechazos. Por consiguiente entender los efectos de la contaminación de la soldadura obviamente nos puede llevar a mejorar la calidad de las partes producidas a un costo reducido. Se recomienda no ignorar los efectos perjudiciales de las impurezas de la soldadura en la calidad y el indice de producción del equipo de soldadura por inmersión o de onda. Algunos de los problemas que prevalecen a causa de soldadura contaminada son uniones opacas o asperas, puentes y no poderse “mojar”. Cambiar la soldadura no es necesariamente la solución. Las soldaduras se pueden dividir en tres grupos básicos: 1).- Soldadura Reciclada 2).- Virgen. 3).- Alto Grado de Pureza. Soldadura reciclada es desperdicio de Estaño y Plomo que se puede comprar y refinar por medio de procedimientos metalurgicos regulares. Los altos niveles de impureza pueden provocar problemas en las lineas de producción en masa. Soldadura Virgen este termino se refiere a la soldadura que estan compuestas de Estaño y Plomo estraidos del mineral. El nivel de pureza del Estaño y Plomo de esta materias primas es alto y excede, en muchos aspectos de la magnitud y las normas (ASTM & QQS-571). Soldadura de alto grado de pureza se selecciona Estaño y Plomo con bajo nivel de impurezas y se produce soldadura con bajo nivel de impurezas. Antes de discutir problemas y soluciones consideremos, la fuente de la contaminación en un crisol u onda durante la fabricación. Obviamente en todo equipo bien fabricado, las paredes del recipiente, al igual que la bomba y todas las demás superficies que están en contacto con la soldadura están hechas de acero inoxidable. La contaminación del baño, por consiguiente, puede resultar unicamente por el contacto con el elementos en contacto con el mismo. Esto significa que un número limitado de elementos se adquieren, dependiendo de la linea de producción. En el crisol de inmersión, esto significa que se podra encontrar cobre y zinc, al soldar con ola ensambles electrónicos y circuitos impresos, significa que se podra encontrar cobre y oro. En otras palabras, un baño de soldadura solo se puede contaminar con aquellos metales con los que esta en contacto y los cuales son solubles en la soldadura. Al ir subiendo el nivel de contaminación, la calidad de la soldadura se deteriora. Sin embargo, no existe una regal clara en cuanto al nivel de contaminación metálica donde la soldadura ya no se puede emplear. No podemos prevenir que los materiales de los PCB toquen el baño e inevitablemente contaminaran la soldadura hasta cierto grado. No existen valores absolutos para todas las condiciones. El limite depende de los requisitos de especificación, diseño del PCB, soldabilidad, espaciado de los circuitos, tamaño de los conectores y otros parámetros.


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Los efectos de contaminantes comunes Cobre

Uniones con apariencia arenosa, la capacidad de mojarse se ve reducida.

Cadmio

Uniones arenosas, aumenta la escoria en el crisol. Reduce la capacidad de mojado de la soldadura, causa que la unión se vea muy opaca.

Zinc

Provoca que el indice de escoria aumente, las uniones se ven escarchadas.

Antimonio

En cantidades encima de 0.5% puede reducir la capacidad de mojarse de la soldadura. En pequeñas cantidades mejora la capacidad de baja temperatura de la unión de la soldadura.

Aluminio

Plata

Produce niveles excesivos de escoria. Puede provocar uniones opacas, en concentraciones muy altas hará que la soldadura sea menos movil. No es un contaminante malo. Se añade a algunas aleaciones en forma deliberada.

Nickel

En pequeñas concentraciones, provoca pequeñas burbujas o ampollas en la superficie de la unión.

Hierro

Nota:

La union de la soldadura tiene apariencia opaca. El antimonio elimina este efecto.

Otros contaminantes Fosforo, Bismuto, Indio, Sulfuro, Arsénico, etc. Algunos de estos pueden considerarse contaminantes, sin embargo, algunos de ellos se añaden a la soldadura en forma deliberada para fines especiales. La escoria es el óxido que se forma en la superficie de la soldadura. El indice de la generación de escoria depende de la temperatura y la agitación. Mucho de lo que aparenta ser escoria es, en realidad, pequeños globules de soldadura contenidos en una pequeña pelicula de óxido. Entre mas turbulenta sea la superficie de la soldadura, mas escoria se produce. Los contaminantes tambien juegan un papel importante en la formación de escoria. Los elementos que oxidan contribuyen a esta formación. Aunque se cree que la escoria es perjudicial en los procesos de soldadura de ola, el óxido de la superficie protéje contra oxidación futura. No es necesario quitar la escoria con frecuencia, unicamente si interfiere con la acción de la ola o si la ola consiste en escoria. Quitar la escoria una vez al día es, por lo general suficiente. Las áreas donde se puede controlar la escoria son la temperatura y la agitación. Se ha encontrado que lo que se considera escoria es una mezcla de compuestos intermetálicos y escoria. Es importante quitar la acumulación superficial del crisol con herramientas que permitan que el metal se vuelva al crisol y solamente se quite la escoria. Se han empleado muchas cosas para reducir la escoria, pero mientras haya exposición al oxigeno, se generara escoria.


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Defectos en la soldadura Cortos Flux insuficiente Precalentamie nto fuera de especificación. Orientación de PCB incorrecta Soldadura contaminada Temperatura del crisol baja Altura de la ola incorrecta Escoria de la ola Ola desnivelada.

Insuficiencias

Altura de ola incorrecta. Ola desnivelada. Soldabilidad PCB/Componentes.

Bolas de Soldadura • Precalentamiento fuera de especificación. • Tipo de mascarilla. • Flux insuficiente. • Tiempo de contacto excesivo. • Uso de ola turbulenta. • Pobre calidad de PTH (Fractura en Pared).


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Refusión El concepto de refusión Una buena soldadura utiliza la cantidad correcta de estaño, flux y calor, en el sitio y en el tiempo adecuado. Con la soldadura manual y por ola, el flux siempre es la primera etapa y a continuación el calor y el estaño juntos. Con la refusión el calor siempre es el último proceso. Lo primero es colocar el flux y el estaño juntos (pasta de soldar) en el lugar definido (proceso de serigrafía). Luego colocar los componentes en sus posiciones del circuito. En todos los procesos de refusión, la pasta de soldar y los componentes son calentados juntos, a una temperatura, el tiempo suficiente como para derretir la pasta de estaño, esta se introduzca en las junturas y uniones entre la base de cobre y los terminales de los componentes. Tan pronto como esto suceda, cesar el calor lo más rápidamente posible para permitir la solidificación del estaño. Componentes SMD y la soldadura por refusión La soldadura por refusión es un procedimiento, más antiguo que el de la soldadura por ola, bajo el nombre de “sweatsoldering” fue utilizado durante mucho tiempo Con el advenimiento de la tecnología híbrida en los años 1960, este método fue reconocido como el lógico sistema de utilización en los desarrollos híbridos. Las pastas de soldar ya existían, aunque no se utilizaba la serigrafía. En la década de los setenta, equipos profesionales de serigrafía fueron diseñados para su utilización en los circuitos impresos con componentes SMD. Los SMD y la tecnología de soldadura por refusión, son compañeros ideales. Con la tecnología de la soldadura por ola, el estaño necesita de ayuda para encontrar las juntas y uniones con los componentes. Con la tecnología de refusión, ambos estaño y flux, están ya situados en las juntas y uniones a soldar, junto a los componentes, antes de proceder al calentamiento del conjunto por los diferentes procedimientos utilizados en la tecnología de la soldadura por refusión.


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Soldadura por ambas caras del circuito Esta estrategia es la más común de las utilizadas en los circuitos impresos. Uno de los lados es serigrafiado primero, a continuación se sitúan los componentes y los soldamos por refusión. La segunda cara utilizamos el mismo procedimiento. La experiencia práctica nos muestra, que no hay ningún inconveniente en la utilización de esta tecnología.

Aspectos metalúrgicos de la soldadura por ola En el sistema de soldadura por ola, el estaño está en un recipiente del tamaño, que va desde 40Kg, hasta los superiores a 700Kg. Este material esta a la temperatura controlada de aproximadamente de 250º C, su composición varía ligeramente con el tiempo: el estaño captura el cobre de las pistas del circuito y otros metales de los terminales de los componentes; estos componentes metálicos, se oxidan más rápidamente que el estaño. Esto significa, que es necesario un análisis de la composición de los constituyentes metálicos del recipiente. Cuando utilizamos la tecnología de los dos tipos de componentes, componentes con terminales y los de SMD, estos últimos están totalmente expuestos a la acción de la ola, la cual captura gran parte de los productos intermetálicos del substrato y los deposita en el recipiente, donde son diluidos. Por lo tanto, el recipiente contiene muchas pequeñas partes de una gran cantidad de partes metálicas. Con la soldadura por ola, el intervalo durante el cual están en contacto la superficie de las uniones con el estaño es de aproximadamente entre dos y cinco segundos. Por lo tanto la quebradiza unión intermetálica, es de <1µm. El intervalo de la solidificación es rápida, el tiempo entre el contacto con la ola a la temperatura de 250º C y la solidificación a 183º C, es demasiado corto, dos segundos como máximo, esto produce una estructura de grano muy fina. Como consecuencia de todo esto, la soldadura de las uniones de SMD, con sistema de soldadura por ola, tiene una estructura metalúrgica favorable, al carecer de sólidos metálicos dispersados en el circuito y la capa intermetálica entre el estaño y el substrato es estrecha.

Métodos de calentamiento Métodos de calor en equilibrio. En los varios métodos de refusión, estos difieren principalmente en la manera en que las uniones son calentadas. Los métodos llamados en equilibrio, donde todas las uniones alcanzan la temperatura determinada y constante después de un cierto tiempo. Con el sistema de convección, el incremento de la temperatura es uniforme y controlado, siendo su eficiencia según el equipo utilizado y lo mismo sucede con la velocidad de solidificación. Los intervalos del proceso van desde unos cuantos segundos a treinta segundos. En la situación de equilibrio el sobrecalentamiento es imposible. Métodos de calor en no-equilibrio. En sistema de radiación con infrarrojos, presenta situaciones de no-equilibrio, la energía transferida al las uniones se efectúa por radiación y depende principalmente de la duración y de la temperatura de la fuente de calor, y es muy crítico el tiempo en que están expuestas las uniones. Los intervalos del proceso van desde diez segundos a treinta segundos y el tiempo de solidificación alrededor de diez segundos.


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PERFILES TERMICOS

El perfil asegura el control del proceso de la soldadura. El analizador térmico es una herramienta de medición (Temperatura / Tiempo) y detecta los cambios que presenta el proceso de la soldadura dentro de la máquina. Perfil térmico Esta definido como el traza un gradiente térmico por unidad de tiempo. Los perfiles térmicos analizan: -Cuantifican los párametros de los precalentadores -La temperatura del horno -El paralelismo. -Tiempo de contacto ( Velocidad del transportador).


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La serigrafía Tipos de pantalla - Apertura por ataque químico Las pantallas por ataque químico son los mas usados, por que son los más baratos y los mas duraderos. Sin embargo no son los mas adecuados para una buena printabilidad debido fundamentalmente a la no verticalidad de sus paredes. Este inconveniente se agudiza cuando se trata de fine pitch.

Apertura por láser El corte por láser mejora la definición de las paredes de las aperturas con respecto al ataque químico, pero aun presenta algunas rugosidades en sus paredes lo que no le hace del todo apto para ultra fine pitch ( 0.4 mm ) y micro BGA ( pads de 0.25 – 0.3 mm de diámetro ).

Apertura por electro-forma Este tipo de pantalla se utiliza dependiendo de la calidad requerida. Se recomienda para procesos que se requiera una alta calidad y es imprescindible para ultra fine pitch y micro BGA. Las paredes de sus aperturas no presentan rugosidades y su verticalidad es perfecta.


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Espesores de las pantallas El espesor de la pantalla se determina de acuerdo con el mínimo tamaño y pitch de las aperturas. Generalmente a menor espesor se consigue mejor printabilidad. Esto es por que a menor espesor del stencil menor stress entre la pasta y las parédes de las aperturas cuando se separan la pantalla del PCB.

Espesores recomendados de la pantalla en función del pitch Minimo pitch (mm) >0.65 0.5 0.4 (0.3mm dia. MB

Espesor de la pantalla (µm) 150-200 150 120-150

Diseño de las aperturas Es aconsejable que el tamaño de la apertura de la pantalla sea un 10% más pequeña que el tamaño del pad. Esto asegura que aun teniendo en cuenta la posible tolerancia de la pantalla, la pasta este depositada en el pad sin que haya desbordamiento por el lateral, esto puede prevenir el slump (desmoronamiento) de la pasta de soldar y el efecto levantamiento.

Las espátulas Las espátulas se pueden clasificar en dos grupos, tipo caucho y metal. Las espátulas de caucho a su vez se dividen en varios tipos de punta

El tipo espada normalmente tiene un ángulo entre 70º y 80º, como la fuerza vertical sobre la pantalla es relativamente pequeña, esta espátula puede ser ideal para pastas con una viscosidad baja. Las espátulas tipo cuadrado tienen un ángulo de 45º por


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lo tanto su fuerza vertical es mayor, este tipo de espátulas son aconsejables para pastas con una viscosidad alta. Si utilizamos una pasta de baja viscosidad con este tipo de espátulas podemos provocar cortocircuitos. El tipo planas cuyo ángulo de trabajo esta entre 50º y 60º son las mas usadas debido a que cubren un mayor rango de diferentes viscosidad de pastas. Cuando utilizamos espátulas de caucho la presión debe ser tal que el borde no sufra deformación, si esto ocurriera la presión sobre el canto de la apertura seria demasiado alta con lo que partículas de estaño quedarían adheridas al canto de la apertura (ver figura).

Párametros de la serigrafía Contacto de la pantalla Uno de los factores mas críticos para una buena deposición es el contacto o la distancia entre la pantalla y el PBC. Hay dos opciones: una cuando hay contacto con el PCB y otro cuando no hay contacto. Cuando la máquina de serigrafía esta provista de control de velocidad de separación de la pantalla, se recomienda siempre la opción de contacto, sobre todo cuando se trata de aplicaciones de fine pitch. Con la opción de contacto no hay distancia entre la parte inferior del stencil y la superficie de PCB, esto ayuda a prevenir el desbordamiento de la pasta, con lo cual evitamos posibles problemas como puentes, desbordamientos y bolas.


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La opción de no contacto es aplicado cuando la serigrafía no tiene la posibilidad de controlar la velocidad de separación de la pantalla, en este caso la pasta va cayendo suavemente y de forma gradual hasta conseguir la definición del ladrillo adecuada. Cuando estemos utilizando este sistema debemos optimizar muy bien ciertos parámetros como son la velocidad de avance de las espátulas, la presión de estas y también la distancia entre la pantalla y el substrato del PCB.

V elocidad de separación de la pantalla Es el parámetro más importante a la hora de determinar una buena calidad de la impresión. Reduciendo la velocidad de separación se reduce la fricción entre la pasta y las paredes de las aperturas, separándose la pasta de las paredes suavemente. Las velocidades y el rango depende del tipo de máquinas. Nosotros recomendamos que esta sea lo mas baja posible , entre 0.1 mm/seg y 0.5 mm/seg.

La mayoría de las máquinas están provistas con dos velocidades, una velocidad mas lenta que actúa inicialmentehasta que se consigue una separación de 1 a 2 mm y luego una velocidad mas rápida que acelera la separación, de esta forma el ciclo de proceso no se ve afectado de forma muy negativa. Presión de la espátula Debe ser ajustada al nivel mas bajo posible y que este sea suficiente como para arrastrar y depositar la pasta en las aperturas. El exceso de presión pudiera causar el desajuste del alineamiento de la pantalla, deformación de las espátulas con resultado de incrustación de pasta fuera del pad y el desbordamiento.También puede causar deformación permanente de las espatulas. Como orientación se puede considerar una presión de referencia de 0.5 kg por cada 50 mm de espatula.


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Velocidad de la espátula La velocidad de avance de las espátulas se determina en función del numero de PCB’s que se quieran serigrafiar. Sin embargo desde el punto de vista de la pasta se recomienda una velocidad entre 20 y 40 mm/seg. Para obtener una mayor calidad en la impresión se aconseja una menor velocidad ya que a mayor velocidad hay más stress mecánico y la viscosidad y la thixotropia bajan. Como consecuencia de la bajada de la viscosidad y la thixotropia se puede producir desbordamiento y esto puede causar puentes e incluso burbujas. Cuando se requiera una mayor velocidad de impresión por ejemplo >100 mm/seg recomendamos ciertas pastas especiales para estos casos cuales admiten velocidades de hasta 200 mm/seg.

Frecuencia de limpieza Después de 5, 6, 8, .... impresiones la calidad de estas pueden bajar, esto esta provocado principalmente por la incrustación de partículas de estaño en la cara inferior de la pantalla. Esta acumulación llega a ser lo suficientemente importante como para poder provocar puentes o bolas. Para prevenir esto, la pantalla es necesaria limpiarla periódicamente. ¿Con qué frecuencia debe ser limpiado?. Esto depende de los tamaños de las aperturas, de la distancia entre aperturas, de la naturaleza de la pasta, etc. En resumen a mayor frecuencia de limpieza, obtendremos una mayor prevención a la hora de evitar estos posibles problemas. Alineamiento de la pantalla El alineamiento de la pantalla con el PCB debe se muy exacto. Si esto no es así la pasta desborda los pads y se incrusta por el hueco que habría entre la pantalla y el PCB ( ver figura ). Como consecuencia de esto, microbolas de estaño se pegan a la pantalla y en las siguientes impresiones estas microbolas quedan adheridas en el PCB con posibles puentes y bolas en el substrato del PCB.


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Condiciones ambientales El control de las condiciones ambientales es un factor que influyen también en una buena calidad en la impresión. La pasta de soldar es una mezcla de polvo de soldar en flux. El flux esta compuesto de sólidos (resinas, agentes thixotropicos, ect.) y solventes. Los sólidos y solventes están influenciados durante el proceso de impresión por las variaciones de temperatura y humedad.


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Pasta de soldar Forma de las partículas Es comumente sabido que la forma y el tamaño de las particulas de soldar es un factor muy importante para una buena impresión. Cuando se empezó el uso de las pastas de soldar la forma era un factor que no se consideraba importante y estas tenian una forma irregular. Esto era así debido fundamentalmente a que el producir el polvo sin control era mucho mas barato y además no era tan necesario porque no habia aplicaciones con fine pitch. En tales aplicaciones es esencial reducir al máximo los defectos de la soldadura, por lo tanto es evidente que las formas esfericas han ido reemplazando en el mercado las formas irregulares. Tamaño de las particulas Cuanto más pequeño sea el pitch y las aperturas de la pantalla, el tamaño de las partículas deberan de ser más pequeñas. Una regla para determinar una primera aproximación del tamaño de partículas en función del ancho mínimo de las aperturas es que el diámetro máximo de las partículas no deberá ser mayor de 1/4 -1/5 del ancho de la apertura.

TAMAÑO PARTICULAS 20-50 MICRAS 20-40 MICRAS 20-45 MICRAS

APLICACION >0.5 PITCH >0.4 PITCH >0.4 PITCH

Para ultra fine pitch se utiliza tamaños de 10-20 micras, en estos casos para reducir el alto contenido relativo de oxido es altamente aconsejable mezclarlo con un flux con contenido en halógenos. Recordemos que a menor tamaño de bola mayor contenido de oxido. El contenido de oxido nos puede provocar micro-bolas y pequeños crateres debido a microesplosiones durante la refusión. Función del flux El cometido del flux es el siguiente: 1. Elimina el óxido del substrato. Químicamente el flux ataca la película de oxido que se forma en la superficie de los contactos de los componentes, la superficie de los pads y la propia pasta. 2. Previene la re-oxidación. Los substratos, los componentes y la propia pasta expuesta en ambiente caliente (cuando esta en el horno para soldarse) se tiende a producirse una oxidación rápida. En esta situación los sólidos del flux se funden y en estado liquido cubren las partes a soldar previniendo la reoxidación. 3. Reduce la tensión superficial aumentando la mojabilidad. El flux temporalmente reduce la tensión superficial y ayuda a incrementar el área de contacto entre el substrato y los componentes.


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Composición del flux El flux esta compuesto por resinas (55%), activadores, agentes thixotrópicos y disolventes, todos estos compuestos conforman el 45% del flux, no se facilita por parte de los fabricantes la proporción de cada uno de estos compuestos. 1. Resinas Las resinas influyen en la imprimibilidad, la soldabilidad, la resistencia al slump, en el tackiness ( tack time y tack force), en el color del residuo, el test ICT, y la desoxidación. 2. Activadores Los activadores influyen en la soldabilidad, electromigración, corrosión, SIR y vida útil de la pasta. al slump, olor y limpiabilidad. al slump y el olor. Se suele evaporar entre un 2 y 3% Trabajibilidad Un factor crucial además de la imprimibilidad, soldabilidad y la fiabilidad, que no se puede pasar por alto cuando se trata de elegir la pasta mas adecuada para la producción es que tenga una buena trabajabilidad . Tiempo de recuperación A medida que el pitch es cada vez mas fino (0.4 mm), utilización de micro BGA (0.3 mm de diametro) y utilización de componentes 0402, los clientes tienen que tener mas en cuenta este factor. La definición del tiempo de recuperación es: la propiedad que tiene la pasta de recuperar su viscosidad de trabajo después de estar un tiempo de reposo sobre el stencil sin sufrir ninguna manipulación. O sea la capacidad de recuperar su viscosidad entre impresión e impresión. Se puede decir que para thixotropias altas se tiene un idle time relativamente bajo. Tiempo de vida El tiempo que la pasta puede estar sobre la pantalla conservando sus propiedades en continuos ciclos de impresión. Los factores que determina esta propiedad son principalmente la thixotropia y la evaporación del disolvente. Por ejemplo si una pasta de soldar no esta provista de una buena thixotropia (Linea 1) y en continuo proceso de impresión, la caída de la viscosidad será constante y como resultado nos contraremos con un montón de defectos como puentes y burbujas. Si el disolvente contenido en la pasta es de rápida evaporación (Linea 2), la viscosidad de la pasta se hace excesivamente alta y empieza a pegarse en las espátulas y a cerrar las aperturas del stencil.


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Por lo tanto, (Linea 3) es un ejemplo ideal de utilización. Una variación de la viscosidad (A) en continuas impresiones es bastante pequeño. Para minimizar este efecto se recomienda un control de temperatura ambiente que esta se mantenga por debajo de 25ºC para prevenir la evaporación del solvente. Tiempo de adhesividad de la pasta Puede ser clasificado en dos términos, tack time y tack force. Se define tack time como el tiempo que la pasta de soldar mantiene la suficiente adhesividad como para adherir un componente después ser haber sido imprimida. Tackforce se define como la fuerza que un componente es adherido por la pasta. Se considera que una pasta esta aún en buenas condiciones cuando mantiene una adhesibidad por encima de 100 gf.


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Lo que mas influye en el tack time con los solventes. El tackiness es correlativo con el stencil life y con la resistencia al slump y todo esto depende principalmente de la evaporación de los solventes. Por este motivo consideramos que es bueno tener un punto de ebullición alto para tener una evaporación del solvente lo mas bajo posible para preservar un tiempo de tack time largo. Sin embargo es necesario llegar a un punto de compromiso ya que si tenemos un alto punto de ebullición del solvente esto perjudica la resistencia al slump. Los solventes se formulan para obtener un punto de ebullición entre 230 a 300 ºC. En la practica se combinan 2 o 3 tipos de solventes y con ello se obtiene un mejor compromiso en términos de tackiness, viscosidad, olor y compatibilidad con el resto de compuestos. Resistencia al slump (Desbordamiento) Se contemplan tres modos diferentes de slump en función de cuando ocurre. Shear slump: Slump que ocurre durante la impresión. Static slump: Slump que ocurre entre la impresión y la refusión. Heat slump: Slump que ocurre durante el proceso de refusión. Como el espacio entre pads cada vez es más reducido debido a la utilización cada vez más frecuente de componentes de alta densidad, una pasta con una buena resistencia al slump es un factor a tener muy en cuenta a la hora de la elección de la pasta. En caso de slump después de la impresión la pasta se espande alrededor de los pads, esto puede causar entre pads vecinos puentes, microbolas, etc.. Hay varios factores que afectan al slump de la pasta, tales como el contenido de flux, la viscosidad, propiedades reblandecientes de las resinas, agentes thixotropicos, punto de ebullición de los solventes, etc.. El heat slump es él mas critico de los de los tres según nuestra clasificación, es el que más probabilidad tiene de ocurrir debido al reblandecimiento del flux.


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Durante el reflow la pasta esta expuesta al siguiente perfil de temperatura.

Tiempo (sec.)

La temperatura en su rampa inicial reemblandece los materiales solidos ( resinas, agentes thixotropicos, activadores ) y en combinación con los solventes hace que la viscosidad decrezca, esta situación cambia en el momento en que los solventes empiezan a vaporarse y la viscosidad aumenta en proporción a la vaporación de los solventes. A partir de este punto la posibilidad de slump también decrece. Generalmente los defectos de la soldadura tales como puentes, burbujas, slump ocurren en este tramo. Para reducir el slump es necesario elegir una pasta que combine diferentes solventes con distintos puntos de ebullición y gentes thixotropicos.


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Soldabilidad y mojabilidad En los procesos de producción, cuando se produce un defecto al final de la cadena el reparar estos posibles defectos con lleva una mayor y dificultad y un mayor coste. Una pobre mojabilidad o no mojabilidad es un defecto muy critico y que no es fácil de detectar y que puede causar serios fallos una vez que el producto esta en el mercado Los productos finales a menudo pueden estar en unas condiciones ambientales extremas de cambios bruscos de temperatura y humedad, también pueden estar sometidos a vibraciones o incluso a continuos golpes. Si la unión de la soldadura no es lo suficientemente fuerte, esta puede terminar rompiendo en cualquier momento o en el peor de los casos el componente soldado puede terminar arrancado de su sitio. La mojabilidad de la pasta es una de las propiedades más importantes, ya que condiciona la vida de una buena soldadura. La mojabilidad es la propiedad que tiene un liquido de expandirse sobre una superficie. En nuestro caso el líquido sería la pasta en estado líquido y la superficie seria el pad y el terminal del componente. Cuando un líquido esta sobre una superficie, este tiende a adquirir cierta forma (Fig.-3) de acuerdo con las propiedades del líquido y de la superficie. El ángulo es el ángulo que forma el líquido en contacto con la superficie y la tangente de ese punto con el líquido. Este ángulo, el valor de este ángulo es usado para cuantificar la mojabilidad.


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Cuando se forma una película de óxido sobre la superficie del substrato, esto hace aun más difícil una buena mojabilidad. El flux en este momento adquiere una importacia fundamental ya que recordemos su función: 1) Ataca el óxido de la superficie del substrato 2) Reduce la tensión superficial 3) Previene la re-oxidación durante el proceso de calentamiento Como se explico anteriormente, el flux esta compuesto de resinas, activadores, agentes thixotropicos y solventes. Las resinas son las responsables principalmente de los puntos 2 y 3, los activadores son responsables del punto 1. Los agentes thixotropicos y los solventes no influyen en la soldabilidad. Abajo podemos observar un ejemplo de buena mojabilidad.


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Soldadura manual Desoldar y soldar un condensador o resistencia SMD Los

formatos SMD de estos elementos se pueden clasificar a priori en tres grupos atendiendo a su tamaĂąo. Se pueden encontrar estos componentes en los formatos de menor a mayor 0402, 0603 y 0805, son los mĂĄs comunes. Estos elementos se pueden soldar y desoldar con un soldador de baja potencia y sin grandes dificultades cuando se trata de encapsulado de 0.8 y si los componentes no estĂĄn muy cerca unos de otros. En el caso encapsulados de 0.6 nos va a hacer una lente de mucho aumento y en los de 0.4 vamos a requerir un microscopio.


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Para poder calentar ambos terminales simultĂĄneamente para poder fundir el estaĂąo que los suelda para poder retirar con fac ilidad el componente vamos a usar un soldador de aire caliente. A continuaciĂłn vamos a desoldar y soldar un condensador en formato 0.8 y vamos a ver que el resultado obtenido es perfecto, una soldadura limpia.

Lo primero que hacemos antes de aplicar el chorro de aire caliente sobre el condensador vamos a aplicarle un poco de flux para que el calor que posteriormente apliquemos se concentre sobre el estaĂąo y los dos pads sobre los que esta soldado el condensador.


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El siguiente paso que llevamos a cabo es el calentamiento de componente con el soldador de chorro de aire caliente moviĂŠndolo sobre el componente para que el calor se distribuya uniformemente sobre todo el condensador. Es recomendable usar unas pinzas de puntas finas pues cuando el estaĂąo se funde podemos rĂĄpidamente retirar el condensador.


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A la hora de volver a soldar el condensador tenemos que aplicar de nuevo flux a los pads del PCB y al condensador.

Colocamos el componente sobre los pads y volvemos a aplicar calor con el soldador de chorro de aire caliente.


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INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD El significado de “Calidad” El término “calidad”, cuando se aplica a productos técnicos, puede tener diferentes significados, dependiendo del contexto en el cual la palabra se utilice. Algunas de las cuales vamos a listar a continuación: 1. Podemos utilizarlo como método de comparación, entre mismos tipos de productos de varios fabricantes. En este contexto “calidad” expresa cuan cerca está el producto de la perfección, en cuanto a su funcionamiento, especificaciones del material utilizado, acabado y apariencia 2. Podemos utilizarlo para cuantificar su eficiencia o su relación entre su coste y sus prestaciones. 3. Podemos utilizarlo como medida de su capacidad de alcanzar los requerimientos de funcionalidad, que nos ha formulado el fabricante. En términos más simples: ¿Esta funcionando tal como esperaba, o cuanto tiempo estará trabajando correctamente? La calidad y la fiabilidad El total significado de la calidad de un producto técnico, para el cual es aplicado, es el cumplimiento de todas sus tareas a las cuales ha sido diseñado, su eficiencia y quizás la velocidad en que tiene que efectuarlas, las circunstancias en que tiene que funcionar y la fiabilidad especificada.. La formulación de estas demandas dependerá de varios factores: 1. Consideraciones especificas de la Empresa: Filosofía de producto o mercado Imagen de calidad del producto Oferta de la competencia 2. Consideraciones especificas de su aplicación: Habilidad de sus funciones y fiabilidad o ambas, en el ambiente en el cual el producto va ser utilizado. Clasificación en función de los requerimientos de fiabilidad •

Equipos profesionales, de altas prestaciones Tecnología espacial Aviación comercial y militar Telecomunicaciones submarinas Telecomunicaciones militares sistemas de armas Medicina Equipos profesionales y comerciales de muy altas prestaciones Control de la dirección, de los frenos(ABS air-bag), de la combustión en los automóviles Telecomunicaciones comerciales Equipos profesionales de altas prestaciones Industrias electrónicas de alta calidad Informática de ordenadores Telecomunicación privada


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Equipos profesionales de prestaciones medias Industria electrónica en general Equipos médicos en general Periféricos de informática, rango medio

Equipos profesionales de bajas prestaciones Equipos de oficina Equipos de medida de uso general

Equipos semi profesionales Equipos profesionales de audio y video Equipos para el usuario del automóvil Equipos recreativos de altas prestaciones Electrónica de sobremesa Equipos de consumo de altas prestaciones

Equipos electrónicos de consumo Recreativos domésticos Equipos del hogar Calculadoras Juguetes “La habilidad al funcionamiento”, significa que el equipo debe ser capaz de funcionar, no solamente cuando llegue al consumidor (nivel de aceptación de calidad), sino en las peores condiciones de funcionamiento especificados. “ La fiabilidad”, significa como la habilidad del producto para su funcionamiento sin fallo durante el período de tiempo especificado. La calidad y la fiabilidad de las soldaduras en un montaje electrónico se define como: • Si una de las uniones no está soldada • Si existe un puente entre componentes cercanos que nos producen un cortocircuito • Si el montaje funciona mal • Si el montaje no funciona • Si las uniones fallan durante su funcionamiento • Si el conjunto de montaje funciona mal o para de funcionar a veces

La soldadura y sus fallos En las soldaduras deben cumplir las siguientes condiciones: 1. La soldadura debe alcanzar todos los sitios requeridos y no deben existir uniones abiertas 2. La soldadura no debe estar en los lugares donde produzcan cortocircuitos La soldadura debe cumplir ambos requerimientos, en caso contrario se considera que la soldadura es falsa y el circuito no funcionará.


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Uniones de soldaduras abiertas La continuidad eléctrica requiere, que las uniones no estén abiertas. Con la soldadura por ola, que el Sn alcance y rellene todas las uniones, lo que requiere la optimización de ambos circuito impreso y layout. Con la refusión, la serigrafía del circuito, debe depositar la correcta cantidad de la pasta de soldar, en el lugar del circuito adecuado y en la cantidad necesaria, y durante el proceso la temperatura requerida para la fusión del Sn. Por supuesto la deposición sin la pasta suficiente o en el lugar donde no es necesaria, nos producirá uniones abiertas.

La correcta posición, desplazamientos y orientación adecuada de cada componente es la condición para la buena soldadura.

Puentes y bolas de estaño Un circuito no funciona si tiene cortocircuitos. En la soldadura por ola requiere especiales tecnologías en la optimización del proceso y en la disposición de los componentes dentro del circuito, para evitar los cortocircuitos de estaño, sobretodo en los componentes finepitch , sino utilizamos atmósfera de Nitrógeno. Con la refusión, los factores que influyen en los componentes finepitch, son la precisión en la serigrafía y el tamaño de granulado de la pasta. Las bolas de estaño no es una soldadura defectuosa. Pero si su situación está entre las patas de un componente finepitch, puede producir un cortocircuito. Por lo tanto las bolas de estaño representan un cortocircuito potencial, que reduce la fiabilidad del circuito y muy difícil de cuantificar.


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La naturaleza de las soldaduras defectuosas La existencia de soldaduras defectuosas es un hecho objetivo. La unión está soldada o no está soldada. Las soldaduras presentan la situación “si/no”. Como la respuesta es “si/no” y el veredicto es “correcto/no correcto”, podemos utilizar un sistema automático de control de calidad, basado en una inspección optoelectrónica o una verificación funcional. La perfección o imperfección de las soldaduras La perfección de las soldaduras presentan diferentes situaciones: la imperfección no afecta al funcionamiento, pero pueden reducir la fiabilidad. Esto puede afectar las especificaciones y criterios del cliente comprador. Los criterios pueden incluir las siguientes prestaciones: • Angulo de mojado • Perfil y cantidad de estaño en la unión • Desplazamiento de los componentes Si una imperfección descualifica el producto a los ojos del cliente, lo convierte en una soldadura defectuosa, porque el producto no es posible venderlo. Que un producto sea posible su venta es el su primera función. En contraste con el inequívoco veredicto del “si/no”, en la verificación de las soldaduras defectuosas de las uniones, en las imperfecciones de las uniones el juicio es necesariamente subjetivo. Los juicios representan diferentes opiniones de una misma imperfección y la escala que separa los conceptos de “perfecto” o “aceptable” al “imperfecto” o “inaceptable”, o dicho de otro modo “aceptado/rechazado” divide las áreas de dudosa aceptabilidad y falsa alarma.

Decidir entre soldadura correcta y soldadura defectuosa, emitiendo un veredicto, o decidir si la perfección de la soldadura ha sido suficiente, es un juicio a efectuar y esta decisión hacerla automática es de una gran dificultad.


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El problema de los vacios “blowholes” Los “blowholes” de las uniones entre capas, causadas por presencia de zonas sin estaño en los interiores de las soldaduras, es una imperfección especial.

Las causas de zonas sin estaño en los interiores de las soldaduras y las medidas para evitarlo, son bien conocidas. La continuidad, el acabado y el espesor del material las paredes del agujero son causas de la formación de esta imperfección. El precalentamiento del circuito lo reduce considerablemente. Esta imperfección no interfiere en el funcionamiento del circuito, pero su presencia o ausencia es una situación de “si/no” . Pero puede acortar las expectativas de vida de la unión.


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La inspección Significado de soldadura defectuosa El significado de una soldadura defectuosa es el fallo del circuito y su mal funcionamiento, hasta que cada fallo sea corregido. Por lo tanto, lo más importante del sistema control de calidad es encontrar cada una de ellas. Las uniones ideales y las imperfectas El criterio de la perfección en las uniones es el mismo que el de la soldadura manual. Tienen que cumplir con estos dos parámetros: primero, el ángulo de mojado entre la soldadura y el substrato; y segundo la cantidad de Sn en la unión. Juntos determinan el perfil de la unión. El perfil de la soldadura manual perfecta,, tiene el menisco concavo y el ángulo del mojado bien definido. También, el contorno de los componentes unidos estar bien visibles, y en el caso de cables insertados en los componentes bien asegurados en sus alojamientos y apropiadamente estañados.

El criterio de perfección en las soldaduras por ola y refusión vuelve a los criterios del principio de la soldadura. Son los contornos de la superficie, el área de la soldadura y las relaciones entre distancias. Son las bases para los juicios “bueno/malo”, “aceptable/inaceptable”, o “ bonito/feo”, Hay un ejemplo donde la imperfección puede convertirse en fallo: son las uniones con mucho estaño, donde pueden ser la causa de tensiones mecánicas en el cuerpo del componente o fluctuaciones de temperatura durante su funcionamiento, actuando como una tenaza sobre el cuerpo del componente y originando un bajo rendimiento. Inspección de las soldaduras Ningún circuito debe entregarse sin haber sido inspeccionado. La inspección significa visionarlo o examinarlo con criterio. Esto implica que la inspección es algo más que “ solamente mirarlo” . Para que una inspección sea completa a un coste efectivo, el procedimiento debe estar bien definido, su objetivo o criterio, preferentemente por escrito, y si es necesario ilustrado, así como explicitar el procedimiento y el cuando se utilicen sistemas automáticos. Definir la diferencia entre “”soldadura bien hecha” y “soldadura perfecta”, simplifica la tarea de inspección. Sin una inspección, el proceso de fabricación de soldadura de un circuito impreso está incompleto.


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Soldaduras defectuosas: Uniones abiertas

Soldaduras defectuosas: Puentes y bolas de estaño

Soldaduras defectuosas: Componentes desplazados

Soldadura ideal

Hay una gran diferencia entre la inspección de conjuntos mecánicos y las soldaduras de un circuito. En la inspección de un conjunto mecánico, podemos definir numéricamente las medidas y sus tolerancias. Pero es muy difícil describir numéricamente los valores correctos de las uniones, por lo que es necesario una inspección visual, óptica o funcional de los circuitos. La serigrafía del adhesivo para la fijación de los componentes SMD al circuito, debe efectuarse antes de la soldadura y verificar su correcta disposición, situación y tamaño. Cualquier error significa la perdida del componente SMD, desplazamientos o errores pueden dificultar o impedir la soldadura. Los errores son muy difíciles de corregir una vez ha curado el adhesivo.


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Similares problemáticas existen en la serigrafía de la pasta de soldar, la cual debe verificarse antes de situar los componentes en el circuito. Los defectos son fácilmente corregibles, si los detectamos antes de la refusión.

Soldadura ideal

Soldadura con mucho estaño

Soldadura con poco estaño

Soldadura con poco estaño

Soldadura poco estaño en PLCC

Angulo de mojado incorrecto

Desplazamiento


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Inspección visual Hay dos tipos de inspección básicas, la inspección general y la detallada. Inspección general. En una producción de pequeña escala, donde los circuitos se sueldan individualmente, tanto manualmente o por medio de un equipo, el operador echará una mirada al circuito, antes de depositarlo en su almacenamiento o entregarlo al siguiente proceso. Si hay un defecto obvio, lo corregirá antes de entregarlo. En una línea de producción, el operador o supervisor, deberá echarle una breve mirada circuito antes de depositarlo en la máquina de soldar por ola o de refusión. Obviamente los mayores defectos ocurren en las áreas donde el flux no actúa o en el caso de refusión donde la pasta no esta situada convenientemente. Inspección detallada. La manera de efectuar la inspección y el equipo utilizado, depende del tipo y volumen de la producción y del tamaño del circuito. Los rangos, tipos y especificaciones de los equipos de inspección óptica, van desde simples o magnificadores iluminados, zooms ópticos con visión binocular, y útiles mecánicos de visionado de terminales “J” de los componentes PLCC. En los sistemas de visión simple o binocular del objeto, la cabeza del operador está forzada a guardar una posición fija con la consiguiente fatiga, cosa que no ocurre en los equipos, en que el objeto se muestra en una pantalla. Un buen sistema de iluminación es esencial en todos los sistemas ópticos de inspección. En numerosos sistemas de inspección óptica, el circuito está fijado en un mesa movible en x y lo que permite escanearlo o indexarlo en posiciones prefijadas, donde ciertos defectos puedan suceder. Inspección opto-electrónica automatizada La distinción entre “soldadura bien hecha” y “soldadura perfecta”, debe ser posible en la inspección automatizada y evaluar los contornos de las uniones. Estas prestaciones son las de los sistemas de gran complejidad. Si omitimos la distinción “soldadura perfecta”, existen tecnologías que permiten detectar soldaduras sin estaño, uniones vacías o la presencia de puentes o bolas de estaño. Estos sistemas están basados en escanear la superficie del circuito, combinado con la comparación entre la imagen captada y una imagen ideal memorizada. Estos sistemas funcionan lo bastante rápido, como para detectar los defectos en líneas de producción de las máquinas de soldar por ola y de refusión. Los sistemas de inspección opto electrónicos debe reconocer los siguientes defectos: • • • •

Faltas, desviaciones o posiciones defectuosas de la pasta de soldar Faltas o defectuosas posiciones del adhesivo Faltas, desviaciones o posiciones defectuosas de los componentes Puentes, bolas de estaño o hilos de estaño.

Recientes desarrollos de sistemas automáticos de inspección opto electrónica, no requieren la programación de imáge nes “ideales”, auto creando “curvas ideales”, por la evaluación de los parámetros de los perfiles y sombras de las soldaduras, identificando los componentes, los puentes etc.


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Inspección con Rayos X El sistema de inspección con Rayos X, trabaja en dos niveles. El circuito con las soldaduras es escaneado por los Rayos X por radiación, las partes que contienen estaño, como las uniones o pasta de soldar y las partes metálicas, como los ICs u otros dispositivos semiconductores, son penetradas más que las sustancias orgánicas como FR4 o plásticos. El resultado es una imagen monocroma en blanco y negro, que puede ser evaluada visualmente por el operador o procesado opto electrónicamente por un sistema automatizado. Las imágenes de Rayos X son gráficos de sombras, con la suficiente resolución para poder evaluarlas. Controlando el voltaje aplicado al tubo de Rayos X, podemos modificar la penetración, ajustando las prestaciones a las necesidades de la inspección. Los Rayos X, muestran el interior de la soldadura, lo cual es una gran ventaja, pero esta tiene que ser interpretada. Casi todas las soldaduras contienen “vacíos”. Debe hacerse distinción entre dos diferentes tipos de porosidad de los “vacíos”. Si la porosidad, aparece dentro de la unión en forma de pequeños huecos, la conclusión es el mojado, sea efectuado satisfactoriamente. Sin embargo, si la unión esta formada por bolas como islas separadas, el mojado no se ha efectuado satisfactoriamente. El sistema de inspección debe distinguir, entre estos dos tipos de imágenes y saltar la alarma. La inspección de Rayos X, es la única opción para detectar los defectos de las uniones en los componentes BGAs. La detección de las uniones con el circuito es muy difícil, porque esta es un sombra circular. Una sombra cuadrada, nos puede indicar que no está bien situada en su lugar y una sombra circular nos puede indicar que la unión se ha efectuado correctamente.